1、市場

隨著新能源汽車、光伏、充電樁等應(yīng)用對系統(tǒng)效率的不斷追求，功率半導(dǎo)體市場將迎來前所未有的增速。

SiC功率器件市場規(guī)模：

▲Source：Power SiC report，Yole intelligence，2022

SiC市場格局仍由海外巨頭主導(dǎo)，市占率排名依次是：意法半導(dǎo)體、英飛凌、wolfspeed、羅姆、安森美、三菱電機等。

特斯拉是業(yè)界首個在電動汽車逆變器中采用SiC的車企，2018年，特斯拉在model 3中首次將IGBT換成SiC。

2、分類和應(yīng)用

導(dǎo)電型SiC目前主要應(yīng)用于逆變器中，用于制造功率器件。逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)化為電機所用的交流電，在傳統(tǒng)Si基IGBT逆變器中，利用方波電源控制IGBT的開關(guān)，使得原來的直流電輸出方波高壓電，經(jīng)過整形后形成正弦電壓，即交流電。

由于輸出電壓和輸出頻率可以任意控制，所以逆變器廣泛用于控制交流電機和無刷電機。

半絕緣型襯底主要用于制造氮化鎵射頻器件等，通過在半絕緣型SiC襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片。

3、原理和優(yōu)勢

▲電驅(qū)動主要部件和挑戰(zhàn) 電動汽車驅(qū)動用模塊（Power Module for EV）的特點：

（1）布置空間受限（Limited）；

（2）溫度變化大（-40℃～105℃）；

（3）振動劇烈（Tough）；

（4）可靠性要求高（Higher）；

（5）通常為水冷（體積小）（Water）；

（6）需要精確的力矩控制，要求動態(tài)性能較好（High requirement）；

（7）要求性價比高（High requirement）。

SiC碳化硅是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。

相比傳統(tǒng)的硅材料，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，導(dǎo)熱率是硅的4-5倍，擊穿電壓是硅的8-10倍，飽和電子漂移速率是硅的2-3倍。

碳化硅器件的核心優(yōu)勢在于：

1）耐高壓：阻抗更低、禁帶寬度更寬，能承受更大的電流和電壓，帶來更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計和更高的效率；

2）耐高頻特性：SiC器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高開關(guān)速度（大約是SiC的3-10倍），能達(dá)到更高頻率和更高開關(guān)速度；

3）耐高溫特性：SiC相對Si擁有更高的熱導(dǎo)率，能在更高溫度下工作。

碳化硅與硅基半導(dǎo)體相比（SiC VS. Si）:

（1）擊穿場強×10

（2）禁帶寬度×3，極低的本征載流子濃度，耐高壓、高溫能力

（3）熱導(dǎo)率×3，散熱能力提升，有助于提升功率密度

以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是實現(xiàn)高效率能量轉(zhuǎn)換、小型化、低系統(tǒng)成本的更佳選擇。

SiC MOSFET在多方面均表現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)Si基器件的性能，有望在多個領(lǐng)域逐漸實現(xiàn)替代，可靠性與成本是商業(yè)化的核心

新型器件結(jié)構(gòu)、高溝道遷移率、超級結(jié)、SiC-IGBT、SiC-IC是未來努力的方向

SiC卓越的材料性能：具有Si和C共價鍵的化合物半導(dǎo)體

極硬材料，新莫氏硬度：13（鉆石15）

Si-MOSFET 和SiC-MOSFET結(jié)構(gòu)單元比較：

▲Si和SiC材料性能比較 SiC-mos 與Si-IGBT和Si-SJMOS的比較：

（1）與Si器件相比，SiC器件大大提高了工作性能

（2）每一代SiC器件都接近理論極限

（3）來自不同供應(yīng)商的最先進的SiC MOSFET達(dá)到了同類產(chǎn)品的性能

在電動汽車逆變器中采用SiC MOSFET的系統(tǒng)級效益：

SiC MOSFET技術(shù)的器件級優(yōu)勢：

（1）低導(dǎo)通損耗

（2）低開關(guān)損耗

SiC逆變器的系統(tǒng)級效益：

（1）高效率：在不犧牲車輛續(xù)航里程的情況下降低電池容量

（2）簡化且更緊湊的冷卻系統(tǒng)

▲基于SiC MOSFET的逆變器實現(xiàn)更高的效率

▲Nitzsche et al.,“Comprehensive Comparison of a SiC MOSFET and Si IGBT Based Inverter”,PCIM2019

鋰離子電池尺寸和容量減少+保持續(xù)航里程不變

半導(dǎo)體成本的增加被電池費用的節(jié)省所彌補

相比傳統(tǒng)硅基材料，SiC各項性能指標(biāo)優(yōu)勢明顯：

SiC MOSFET在電動汽車主驅(qū)逆變器中相比Si-IGBT優(yōu)勢明顯，雖然當(dāng)前SiC器件單車價格高于Si-IGBT，但SiC器件的優(yōu)勢可降低整車系統(tǒng)成本：

（1）由于SiC MOSFET相比Si-IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，采用SiC MOSFET的電動汽車?yán)m(xù)航距離相比Si-IGBT可延長5%～10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本；

（2）SiC MOSFET的高頻特性可使得逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸得以大幅減小；

（3）SiC MOSFET可承受更高電壓，在電機功率相同的情況下可以通過提升電壓來降低電流強度，從而降低線束成本。

SiC器件相比Si基器件的優(yōu)勢：

（1）導(dǎo)通電阻小（Low resistance）：是Si基器件的1/3～1/5；

（2）可高溫工作（High temp.）：是Si基器件的1.5～2倍；

（3）可高速開關(guān)（High frequency）：是Si基器件的3～5倍

4、產(chǎn)品和技術(shù)

主流SiC功率器件結(jié)構(gòu)：

主流SiC MOSFET比導(dǎo)通電阻發(fā)展趨勢

受工藝成熟度與穩(wěn)定性影響，溝槽柵器件暫時并沒有實現(xiàn)對平面柵結(jié)構(gòu)的全面超越。

目前平面型結(jié)構(gòu)式主流，未來溝槽型在高壓領(lǐng)域會廣泛應(yīng)用。平面結(jié)構(gòu)相比溝槽，不容易產(chǎn)生局部擊穿問題，不影響工作穩(wěn)定性，在1200V以下市場應(yīng)用廣泛。并且平面結(jié)構(gòu)制造相對簡單，成本可控。

溝槽型器件寄生電感極低，開關(guān)速度快，損耗低，器件性能相對高效。

▲車用功率模塊功率密度演化

等效單相功率密度=電壓×電流÷體積×相數(shù)

▲大功率SiC車用模塊

▲器件價格對比

SiC行業(yè)存在的問題：

（1）SiC襯底制備成本高

（2）高端技術(shù)和人才缺乏

（3）國外技術(shù)封鎖

（4）外延設(shè)備國產(chǎn)化率低

（5）產(chǎn)品良率低

SiC技術(shù)降本路徑：

（1）擴大晶圓尺寸。從6寸晶圓轉(zhuǎn)向8寸晶圓，SiC芯片（32mm2）數(shù)量有望從448顆增加到845顆；能夠使整體碳化硅器件成本降低20%～35%。

（2）改進SiC長晶技術(shù)，提升長晶速度。

（3）應(yīng)用ColdSplit技術(shù)分割碳化硅晶圓，從而使單個晶圓芯片數(shù)量翻倍。

5、設(shè)計和開發(fā)

SiC器件應(yīng)用需要突破的限制：

（1）突破現(xiàn)有模塊150℃限制（Package limit for high temp.），實現(xiàn)功率模塊200℃穩(wěn)定運行；

（2）解決高速開關(guān)易受干擾問題（Gate drive limit for high freq.），實現(xiàn)高速門級驅(qū)動；

（3）解決散熱過于集中問題（Thermal limit for high density），采用高效散熱方法

碳化硅功率模塊相關(guān)設(shè)計要點（SiC High Density Converter Design）：

（1）模塊布局（Module layout）

（2）高溫封裝（High temp. packaging）

（3）驅(qū)動設(shè)計（Gate drive design）

（4）保護設(shè)計（Sensor & protection）

（5）高溫主回路（Busbar design）

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平面封裝和雙面冷卻技術(shù)（Double）

（1）低寄生電感：電壓過沖減小

（2）高散熱能力：降低局部熱點溫度

（3）柔性互聯(lián)/緩沖層：抗熱應(yīng)力能力提高

（4）無鍵合線：功率循環(huán)可靠性提高

▲平面型封裝硅模塊

▲平面型封裝硅模塊典型產(chǎn)品（Plannar Packaged Products）

▲平面型模塊分類（Planar Package Classification） ?

▲雙面散熱

雙面散熱（Double-sided Cooling）技術(shù)要點：

（1）互連與散熱約束

（2）高性能母排

（3）散熱平衡設(shè)計

（4）驅(qū)動板排布位置

▲無源器件水冷散熱

2014年日本Hitachi硅基變頻器，應(yīng)用Pinfin雙面冷卻模塊，電容水冷，峰值功率122.5kW，體積3.5L，功率密度35kW/L。

6、工藝、制造和產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈上游是襯底和外延，中游是器件和模塊制造，下游是終端應(yīng)用。

產(chǎn)業(yè)鏈價值量倒掛，其中襯底制造技術(shù)壁壘最高、價值量最大，是SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進的核心。

從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過外延生長得到外延片；外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經(jīng)過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長過程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷，降低可靠性。

SiC粉經(jīng)過長晶、加工、切割、研磨、拋光、清洗環(huán)節(jié)，最終形成襯底。

▲SiC晶圓生產(chǎn)很復(fù)雜

與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

碳化硅襯底無法直接加工，需要生長一層薄膜后再進行加工。導(dǎo)電型襯底生長出同質(zhì)外延層，半絕緣型襯底生長出異質(zhì)外延層。

SiC晶體生長過程中會不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。

現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能影響非常大。

在半絕緣型SiC襯底上生長氮化鎵外延層，成為異質(zhì)外延層；在導(dǎo)電型SiC襯底表面上生長一層碳化硅外延層，稱為同質(zhì)外延。

外延是一種常用的單晶薄膜制備技術(shù)，和Si器件工藝不同，幾乎所有的SiC電力電子器件工藝都是在4H-SiC同質(zhì)外延層上實現(xiàn)，襯底只是起到支撐和導(dǎo)電的作用。

電壓越高，對外延厚度和摻雜濃度均勻性要求越高，生產(chǎn)難度越大。

外延片市場Wolfspeed一家獨大，占據(jù)50%市場份額。

現(xiàn)在SiC薄膜外延的方法主要有：化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）等，其中化學(xué)氣相沉積（CVD）是最為普遍的4H-SiC外延方法。

SiC單晶方面主要三個難點：

（1）生長溫度在2300℃以上，對溫度和壓力的控制要求高；

（2）長晶速度慢，7天時間大約可生長2cm碳化硅晶棒；

（3）晶型要求高、良率低，只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅可作為半導(dǎo)體材料。

7、概念和定義

（1）能隙(Bandgap energy gap)或譯作能帶隙，在固態(tài)物理學(xué)中泛指半導(dǎo)體或是絕緣體的價帶(valence band)頂端至導(dǎo)帶(conduction band)底端的能量差距。

（2）電子遷移率（electron mobility）是固體物理學(xué)中用于描述金屬或半導(dǎo)體內(nèi)部電子在電場作用下移動快慢程度的物理量。

（3）DTS（Die Top System）：是一種芯片頂部系統(tǒng)技術(shù)。

模塊內(nèi)部采用的連接技術(shù)最常見的是焊接和鋁線互連，通常使用的鋁線線徑在100um~500um，在150℃以上時可靠性就有了局限性。

隨著運行溫度和可靠性要求的提升，在車規(guī)模塊中采用銅線代替鋁線是趨勢，但銅線直接鍵合到傳統(tǒng)的芯片金屬化會導(dǎo)致一些損傷和缺陷。

賀利氏推出的DTS技術(shù)有效地解決了硬銅線綁定的一些問題，包含了在銅片上的預(yù)涂銀層來保護芯片免受相對于鋁綁定線而言更高的鍵合力，同時將芯片電流產(chǎn)生的熱量均勻地分布到整個芯片表面，降低芯片局部溫度。

傳統(tǒng)焊料的熔點在220℃~240℃，在較高的運行溫度下會出現(xiàn)過早的失效，特別是碳化硅此類的寬禁帶半導(dǎo)體。而銀的熔點在962℃左右，非常薄的銀層（如20um或30um）作為粘合層，能夠滿足高溫要求。同時銀具有較低的熱阻。

DTS是銅箔帶有預(yù)涂銀膏的組合，主要適用于單面水冷設(shè)計，其中芯片的熱量也可以有效的從芯片頂部耗散。

DTS系統(tǒng)與銀燒結(jié)結(jié)合應(yīng)用對其可靠性有巨大的影響。僅用銀燒結(jié)劑代替焊料，用DTS燒結(jié)和銅線代替頂部鋁線，在極端條件下，結(jié)溫度至少降低了10K，壽命至少增加了10倍。

（4）MOSFET和JFET的區(qū)別

JFET是結(jié)型場效應(yīng)晶體管的首字母縮寫，由柵極、源極和漏極 3 個端子組成。在 JFET 中，電場施加在控制電流流動的柵極端子上。從漏極流向源極端子的電流與施加的柵極電壓成正比。JFET基本上有兩種類型，基本上是N溝道和P溝道。

MOSFET是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的首字母縮寫。在這里，器件的電導(dǎo)率也根據(jù)施加的電壓而變化。MOSFET有兩種類型：耗盡型MOSFET和增強型 MOSFET。

（5）襯底和外延

襯底定義：沿特定結(jié)晶方向切割、研磨、拋光，得到具有特定晶面和適當(dāng)電學(xué)、光學(xué)和機械特性，用于生長外延層的潔凈單晶圓薄片。

襯底分類：從電化學(xué)性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底。

外延工藝是指在SiC襯底的表面上生長一層質(zhì)量更高的單晶材料。

8、中科院電工所

▲疊層DBC方案

中科院電工所疊層DBC方案（Stacked DBC Method）：

（1）破除通流瓶頸，芯片并聯(lián)數(shù)量提高80%（Break the limit of current path，parallelling more dies）。

（2）依靠互感降低自感，總體寄生阻抗降低50%（Reduce parastic parameters）。

▲疊層平面模塊設(shè)計

中科院電工所疊層平面模塊設(shè)計（Stacked Planar Module）

（1）導(dǎo)電層從2層增加到4層，芯片并聯(lián)數(shù)量提高50%，寄生阻抗降低15%（Conduction layer increased）

（2）多層DBC直接支撐，可使用雙面pinfin直焊，進一步降低熱阻（DBC support top layer）

中科院電工所18芯片并聯(lián)SiC模塊樣品通過800V/670A雙脈沖測試@150℃（Double pulse test）

▲疊層模塊制造流程

疊層模塊制造流程（Stacked Module Fabrication）:

（1）2～3次焊接，與普通工藝一致（2～3 soldering steps）

（2）功率端子可選擇使用超聲波焊接（Ultra-sonic bonding for terminal）

小結(jié)：

（1）平面封裝適用于電動汽車應(yīng)用中的sic器件

（2）堆疊DBC方法可以提高功率模塊的功率密度

（3）格子法有助于熱設(shè)計

9、羅姆（ROHM）

羅姆SiC產(chǎn)能擴展計劃：

審核編輯：黃飛

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